FR3014722A1

FR3014722A1 -

Info

Publication number: FR3014722A1
Application number: FR1462308A
Authority: FR
Inventors: Marcus Perner; Matthias Bock; Christian Krombholz; Dirk Rostermundt
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2015-06-19
Anticipated expiration: 2034-12-12
Also published as: DE102013113949B4; DE102013113949A1; FR3014722B1

Abstract

L'invention concerne une installation de production comprenant un robot, un effecteur terminal agencé sur le robot et une commande de robot, installation dans laquelle on détermine, à l'aide d'un dispositif de relevé de position qui présente plusieurs d'unités optiques de mesure, une distance à un point de référence à partir de laquelle est déterminée ensuite la position actuelle de l'effecteur terminal, la commande de robot étant conçue pour commander le robot en fonction de la position actuelle de l'effecteur terminal.

Description

Installation de production L'invention concerne une installation de production pour la mise en oeuvre d'un procédé de production, par exemple un procédé de production sans contact ou avec contact. Lors de la fabrication de pièces composites renforcées de fibres, on procède le io plus souvent à la pose ou au drapage de produits semi-finis à base de fibres (secs ou pré-imprégnés) sur un outillage de formage, l'outillage de formage conférant sa forme géométrique à la future pièce composite renforcée de fibres. Pour la fabrication de grandes pièces composites renforcées de fibres, comme par exemple des enveloppes d'ailes d'avion, ce processus de pose est de plus en plus 15 automatisé. Dans le cas de cette technologie de placement de fibres ou de pose de bandes de fibres, le matériau à base de fibres à poser, enroulé sur une bobine, est posé par une tête de pose sur l'outillage de formage, en plusieurs pistes côte à côte. Sur l'ensemble de la surface, il en résulte une couche de stratification (PLY). Plusieurs couches de stratification, en partie de formes géométriques différentes, 20 conduisent à la future pièce composite renforcée de fibres. La pose du matériau à base de fibres s'effectue actuellement par la mise en oeuvre de grandes installations à portique, qui embarquent les bobines de matériau et qui, en utilisant des effecteurs terminaux adaptés, posent le matériau 25 le long de pistes générées à partir d'une programmation hors ligne. Mais comme ces installations à portique sont fortement limitées quant à leurs application, la tendance s'oriente vers la pose du matériau à base de fibres sur 'butinage de formage, à l'aide de robots. 30 Ainsi, on connaît d'après le document DE 10 2010 015 027 B1 un dispositif de pose de fibres, qui comporte un outillage de formage, un système de rails entourant l'outillage de formage et des robots guidés sur le système de rails. Sur les robots sont prévus, en guise d'effecteurs terminaux, des têtes de pose capables de poser du matériau sans fin à base de fibres sur l'outillage de formage. 35 L'augmentation de flexibilité et d'efficience atteinte avec ce mode de pose de matériaux à base de fibres assisté par robot, permet pour la première fois une fabrication économiquement viable de grandes pièces composites renforcées de fibres. Le type du processus de pose est certes le même pour les deux variantes. Toutefois, les installations à robots, nettement plus flexibles, présentent une souplesse résolument plus élevée et ainsi une sensibilité plus élevée aux oscillations et vibrations, de sorte que le processus de pose assisté par robot est affecté, notamment dans le cas de vitesses de pose élevées, par des écarts de position de pose pouvant être significatifs, et inadmissibles dans le cadre de la fabrication de composants. Une vérification du respect des pistes de pose n'est io possible que de manière limitée, par l'intermédiaire des grandeurs de position internes du robot, ce qui est toutefois insuffisant pour des processus de pose de haute précision. Un autre inconvénient de la souplesse plus importante, et de la sensibilité aux 15 vibrations qui en résulte dans les installations de pose assistée par robots, réside dans le manque de reproductibilité. Comme la pose de grande précision des matériaux à base de fibres n'est pas reproductible de manière fiable par le processus, les coûts ne peuvent être abaissés significativement, notamment pour les grosses pièces composites renforcées de fibres, au point de concurrencer les 20 matériaux classiques et les procédés de fabrication classiques. Aussi, le but de la présente invention consiste-t-il à indiquer un procédé amélioré et une installation de fabrication améliorée, permettant dans des procédés de production assistés par robots, un positionnement très précis de l'effecteur 25 terminal pendant l'exécution du procédé de fabrication. Le but recherché est atteint conformément à l'invention, grâce à l'installation de production selon la revendication 1, ainsi qu'à l'aide du procédé selon la revendication 7. 30 Selon la revendication 1, il est proposé une installation de production, qui possède un robot, un effecteur terminal agencé sur le robot pour la mise en oeuvre du procédé de production, et une commande de robot, qui est conçue pour commander le mouvement du robot en vue du positionnement de l'effecteur 35 terminal dans une position prescrite. La commande de robot est conçue de manière à commander les organes de déplacement de la chaîne cinématique du robot de façon que l'effecteur terminal vienne occuper une position de consigne prescrite. Cela inclut également le positionnement de l'effecteur terminal dans une position de tonsigne et le mouvement de l'effecteur terminal le long d'une trajectoire de piste de consigne, par commande des organes de déplacement du robot.

Conformément à l'invention, il est à présent proposé de prévoir un dispositif de relevé de position, qui présente plusieurs unités optiques de mesure et une unité de calcul. Les unités optiques de mesure sont configurées chacune pour relever, sans contact, une distance à un point de référence, l'unité calcul étant conçue io pour calculer la position actuelle de l'effecteur terminal en forrotion des distances relevées. La position actuelle de l'effecteur terminal peut par exemple se rapporter à la position du TCP (Tool Center Point ou point central d'outil), qui en règle générale représente l'extrémité effective de la chaîne cinématique du robot. 15 Par ailleurs, la commande de robot est conçue, conformément à l'invention, de manière à commander, en outre, le mouvement du robot pour positionner l'effecteur terminal dans la position prescrite, également en fonction de la position actuelle de l'effecteur terminal, de façon à obtenir une régulation du mouvement de l'effecteur terminal par rapport à une position de consigne prescrite. 20 La présente invention permet de positionner très précisément dans la position de consigne prescrite l'effecteur terminal pour la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication, de sorte qu'il devient possible de poser par exemple des dépôts de fibres de manière extrêmement précise et reproductible sur un outillage de 25 formage. La présente invention permet ainsi de compenser l'inconvénient des installations à robots nettement plus flexibles quant à la plus grande souplesse et sensibilité aux oscillations et vibrations, un positionnement de consigne extrêmement précis, en temps réel, pouvant être atteint grâce à la régulation conforme à l'invention. 30 Un robot au sens de la présente invention désigne un automate de déplacement permettant de positionner librement l'effecteur terminal dans au moins une dimension. Un tel robot peut par exemple être un robot à bras articulés comme ceux utilisés, par exemple, en tant qu'automate de déplacement industriel. Un tel 35 robot peut, par exemple, également présenter un entraînement du type «en gantry». Un robot au sens de la présente invention peut en outre, également, désigner par exemple une installation à portique ainsi que des automates de déplacement à cinématique cartésienne.

Le procédé de fabrication devant être mis en oeuvre par l'effecteur terminal désigne, au sens de l'invention, tout procédé de fabrication de haute précision, basé sur des bandes ou rubans. Cela peut par exemple être, dans le domaine de la technologie des fibres, la pose de bandes ou rubans de fibres. Mais on peut également envisager des procédés de fabrication abrasifs et/ou additifs, comme io par exemple le fraisage, le tournage, ainsi que des opérations d'inspection et de mesure de grande précision, et des déplacements de mouvement de grande précision. Si concernant l'installation de production, il s'agit d'une installation de pose de 15 fibres destinées à la pose de matériaux à base de fibres sur un outillage de fabrication d'une pièce composite renforcée de fibres, dans laquelle l'effecteur terminal est une tête de pose de fibres, il est possible d'atteindre des vitesses de pose élevées des matériaux à base de fibres sur l'outillage, qui sont nettement accrues par rapport aux installations à portique classiques, sans toutefois conduire 20 à des pertes de précision lors du processus de pose. Au contraire, la présente invention permet de combiner la plus grande flexibilité possible du processus de pose assistée par robots, avec la précision élevée des installations à portique. Le présent système de régulation permet ainsi d'augmenter la fiabilité et la sécurité, ainsi que la précision du processus pendant le processus de pose. 25 La meilleure précision de pose permet, en outre, de réduire le rebut et d'abaisser les coûts de fabrication. Avantageusement, la commande du mouvement du robot pour le positionnement 30 de l'effecteur terminal dans la position prescrite, s'effectue en fonction de la position prescrite et de la position de l'effecteur terminal déterminée actuellement pendant la mise en oeuvre du procédé de production, par exemple pendant la pose de matériaux à base de fibres sur l'outillage de formage. 35 Les unités optiques de mesure peuvent par exemple être agencées de manière espacée dans l'environnement du robot, le point de référence étant agencé sur le robot ou sur l'effecteur terminal. Au point de référence peut par exemple être prévu un réflecteur. Il est toutefois également envisageable d'agencer les unités optiques de mesure sur le robot ou l'effecteur terminal, et d'agencer dans les alentours les points de référence ou les marques de référence appropriés dont on détermine la distance respective aux unités optiques de mesure. Au regard de la position des points de référence ou respectivement de la position des unités optiques de mesure fixes et de la distance associée, il est alors possible de déterminer la position de l'effecteur terminal en utilisant la méthode de lo multilatération. Avantageusement, la commande de robot est conçue pour déceler un écart par rapport à la position prescrite en fonction de la position de l'effecteur terminal déterminée actuellement, et pour commander le mouvement du robot en vue de 15 corriger l'écart. Dans le cas d'une dynamique suffisamment élevée de la mesure, un écart par rapport à la position, de consigne qui, en raison de la plus grande souplesse dans la chaîne cinématique du robot, n'est pas décelé dans les capteurs de position du robot, peut être relevé en temps réel et être corrigé en ligne dans le processus. 20 Il s'avère avantageux que les unités optiques de mesure soient des capteurs conçus pour l'émission d'un rayon laser vers le point de référence, pour la réception du rayon laser réfléchi à partir du point de référence, et pour déterminer la distance au point de référence en fonction du temps de parcours du rayon laser 25 émis et reçu. Connaissant la position de l'unité fixe respectivement considérée (capteur laser de distance ou point de référence) ainsi que la distance dérivée du temps de parcours du rayon laser, on peut déterminer la position de l'effecteur terminal en utilisant la triangulation. 30 Comme l'effecteur terminal pour la mise en oeuvre du procédé de production exécute un mouvement dans l'espace, il s'avère avantageux que les capteurs laser de distance soient conçus pour diriger le rayon laser à la poursuite du point de référence lors d'un mouvement du robot ou de l'effecteur terminal. Le rayon laser est ainsi toujours focalisé sur le point de référence même pendant un 35 mouvement du robot ou de l'effecteur terminal. On peut aussi déterminer à chaque instant une distance correspondante entre le capteur laser de distance respectivement considéré et le point de référence. Ledit capteur est avantageusement un capteur laser de distance.

Il s'avère ainsi avantageux de prévoir, par exemple, au moins quatre capteurs laser de distance. Ceci permet de calculer, à partir de quatre points de l'espace, les coordonnées du point représentant l'effecteur terminal ou le point central d'outil (TCP). L'incertitude de mesure pour une mesure de décalage dans l'espace se chiffre à 0,2 pm plus 0,3 pm par mètre de distance nominal pour une résolution de 0,001 pm. La fréquence de balayage réglable se situe avantageusement à 1 kHz. D'après un autre mode de réalisation avantageux, le robot comprend un système d'actionnement de correction, configuré pour déplacer l'effecteur terminal indépendamment du mouvement du robot. Un tel système d'actionnement de correction peut par exemple également faire partie intégrante de l'effecteur terminal, par exemple d'une tête de pose de fibres. Le système d'actionnement de correction permet de régler très précisément le positionnement du point central d'outil (TCP) dans une ou deux coordonnées spatiales, la commande de robot étant configurée pour la correction d'un écart entre la position prescrite et la position déterminée actuellement de l'effecteur terminal, par commande du système d'actionneur de correction pour déplacer l'effecteur terminal. Le système d'actionnement de correction permet de commander la position de l'effecteur terminal et ainsi la position du point central d'outil (TCP), et de compenser des écarts correspondants résultant de la souplesse de la chaîne cinématique du robot. L'invention va être explicitée de façon plus détaillée, à titre d'exemple, au regard du dessin annexé. Celui-ci montre : Figure 1 une représentation schématique de l'installation de production conforme à l'invention. La figure 1 montre une installation de production 1, prévue pour la pose de matériau à base de fibres sur un outillage non représenté. A cet effet, l'installation de production 1 comprend un robot articulé à six bras, à l'extrémité de la chaîne cinématique duquel est prévue une tête de pose de fibres 3 en guise d'effecteur terminal. La tête de pose de fibres 3 permet de poser sur l'outillage des matériaux à base de fibres fournis à partir d'une bobine de fibres.

En vue de permettre la plus grande flexibilité possible de la tête de pose de fibres 3 quant à son positionnement ainsi qu'à la trajectoire de piste, le robot est réalisé sous la forme d'un robot articulé à six bras, ce qui rend possible une flexibilité et une vitesse de déplacement élevées. Naturellement d'autres formes de robots sont également envisageables.

Le robot articulé à six bras 2 représenté sur la figure 1 possède au total six axes de rotation Al à A6, qui en partie sont perpendiculaires entre eux, de sorte que le robot 2 est en mesure de déplacer la tête de pose de fibres 3 dans les trois directions de mouvement de translation et trois directions de mouvement de rotation. Par ailleurs, l'installation de production 1 comprend une commande de robot 4 qui renferme une unité de commande 5 conçue pour assurer la commande du robot 2 pour le positionnement de la tête de pose de fibres 3. En outre, l'unité de commande 5 est conçue pour commander le robot 2 de façon que la tête de pose de fibres 3 suive une trajectoire de piste prescrite pendant qu'elle pose le matériau à base de fibres sur l'outillage non représenté. L'unité de commande 5 de la commande de robot 4 convertit ainsi les trajectoires de l'effecteur terminal 3, développées à partir de la programmation hors ligne, en un mouvement correspondant du robot 2 de manière que l'effecteur terminal, à savoir la tête de pose de fibres 3, suive la trajectoire correspondante. Conformément à l'invention, il est à présent prévu un dispositif de relevé de position 6 qui présente plusieurs unités optiques de mesure 7a à 7d. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, sont prévues quatre unités optiques de mesure 7a à 7d au total, réalisées en tant que capteurs. Chacun de ces capteurs 7a à 7d est conçu pour émettre un rayon laser 8 qui sera réfléchi sur un point de référence, le rayon laser réfléchi étant alors à son tour reçu par l'unité optique de mesure 7a à 7d correspondante, et l'on détermine alors, à l'aide du temps de parcours du rayon laser, la distance entre l'unité optique de mesure 7a à 7d considérée et le point de référence 9. A cet effet, les capteurs 7a à 7d sont reliés à une unité de calcul 10 de la commande de robot 4, qui effectue le calcul correspondant des distances entre les unités optiques de mesure 7a à 7d respectives et le point de référence 9. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le point de référence 9 est disposé sur l'effecteur terminal ou la tête de pose de fibres 3 de l'installation de production 1, un réflecteur pouvant par exemple être agencé au niveau du point de référence 9. Les rayons laser 8 émis sont réfléchis de manière correspondante à l'aide du réflecteur, et les unités de mesure 7a à 7d peuvent ainsi bien assurer leur réception. Il est également envisageable d'agencer les unités de mesure 7a à 7d sur le robot, à savoir sur l'effecteur terminal, le point de référence ou les points de référence étant agencés en position fixe dans l'espace. Les distances déterminées à partir des temps de parcours des trajets de marche des rayons laser 8 sont ensuite transmises par l'unité de calcul 10 à l'unité de commande 5 de la commande de robot 4, où elles peuvent alors être utilisées, après calcul de la position 3D de l'effecteur terminal, pour la correction en ligne de l'effecteur terminal 3. A l'aide de l'indication de position extrêmement précise de l'effecteur terminal ou du point de référence, il est possible d'en déduire le point central d'outil (TCP pour Tool Center Point), de sorte que le robot 2 peut être commandé, quant à son mouvement, de manière à positionner très précisément le TCP sur la position prescrite. A cet effet, on peut par exemple - prévoir dans l'effecteur terminal 3 un système d'actionnement de correction, qui assure une correction fine adéquate du TCP.

Par ailleurs, les capteurs 7a à 7d relèvent le mouvement du robot. A l'aide du mouvement du robot, plus particulièrement du point de référence 9, ayant été relevé, on peut alors diriger le rayon laser 8 de façon appropriée, à la poursuite du mouvement du robot, de manière que le rayon laser 8 reste toujours focalisé sur le point de référence 9. Un tel système multi-traceur fournit ainsi à chaque instant une indication très précise de la position du point de référence 9 même lorsque le robot est en mouvement.

Nomenclature des repères 1 Installation de production 2 Robot 3 Effecteur terminal (tête de pose de fibres) 4 Commande de robot 5 Unité de commande 6 Dispositif de relevé de position 7 Unités optiques de mesure 8 Rayon laser 9 Point de référence 10 Unité de calcul Al à A6 Axes de rotation du robot

Claims

REVENDICATIONS1. Installation de production (1) comprenant : - un robot (2), un effecteur terminal (3) agencé sur le robot (2) pour la mise en oeuvre d'un procédé de production, et une commande de robot (4), conçue pour commander le mouvement du robot (2) en vue du positionnement de l'effecteur terminal (3) dans une position prescrite, io caractérisée en ce que il est prévu un dispositif de relevé de position (6), qui présente plusieurs unités optiques de mesure (7a à 7d) configurées chacune pour relever, sans contact, une distance à un point de référence (9), et qui possède une unité de calcul (10) conçue pour calculer la position actuelle de l'effecteur terminal en fonction 15 des distances relevées, et la commande de robot (10) est en outre conçue pour commander le mouvement du robot (2) pour le positionnement de l'effecteur terminal (3) dans la position prescrite, en fonction de la position actuellement déterminée de l'effecteur terminal (3). 20
2. Installation de production (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la commande de robot (4) est conçue pour déceler un écart par rapport à la position prescrite en fonction de la position de l'effecteur terminal (3) déterminée actuellement, et pour commander le mouvement du robot (2) en vue de corriger 25 l'écart.
3. Installation de production (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les unités optiques de mesure (7) sont des capteurs, conçus chacun pour l'émission d'un rayon laser (8) vers le point de référence (9) et pour la réception du 30 rayon laser réfléchi à partir du point de référence (9), et pour déterminer la distance au point de référence (9) en fonction du temps de parcours du rayon laser (8) émis et reçu.
4. Installation de fabrication (1) selon la revendication 3, caractérisée en ce que 35 les capteurs sont conçus pour faire suivre au rayon laser (8) le point de référence(9) lors d'un mouvement du robot (2) ou de l'effecteur terminal (3).
5. Installation de production (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le robot (2) possède un système d'actionnement de correction, qui est configuré pour déplacer l'effecteur terminal (3) indépendamment du mouvement du robot (2), la commande de robot (4) étant configurée pour la correction d'un écart entre la position prescrite de l'effecteur terminal et sa position déterminée actuellement (3), par commande du système d'actionnement de correction pour déplacer l'effecteur terminal (3).
6. Installation de production (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'installation de production (1) est une installation de pose de fibres pour poser des fibres sur un outillage destiné à la fabrication d'une pièce composite renforcée de fibres, et l'effecteur terminal (3) est une tête de pose de fibres.
7. Procédé pour commander une installation de production, qui possède un robot, un effecteur terminal agencé sur le robot pour la mise en oeuvre d'un procédé de production, et une commande de robot prévue pour commander le mouvement du robot en vue de positionner l'effecteur terminal dans une position prescrite, caractérisé en ce qu'au moyen de chacune de plusieurs unités optiques de mesure, on relève, sans contact, une distance respective à un point de référence, et on calcule, au moyen d'une unité de calcul, la position actuelle de l'effecteur terminal en fonction des distances relevées, la commande de robot commandant le mouvement du robot pour positionner l'effecteur terminal à la position prescrite en fonction de la position de l'effecteur terminal déterminée actuellement.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moyen de la commande de robot, on détecte un écart par rapport à la position prescrite en fonction de la position de l'effecteur terminal déterminée actuellement, et on commande le mouvement du robot en vue de corriger l'écart.
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'à l'aide de capteurs en tant qu'unités optiques de mesure, on assure respectivement l'émission d'un rayon laser vers le point de référence et la réception du rayon laser réfléchi par lepoint de référence, la distance au point de référence étant déterminée en fonction du temps de parcours du rayon laser émis et reçu.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on dirigé le rayon laser des capteurs à la poursuite du point de référence, lors d'un mouvement du robot ou de l'effecteur terminal.
11. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'au moyen d'un système d'actionnement de correction agencé sur le robot, on effectue un mouvement de l'effecteur terminal indépendamment du mouvement du robot, un écart entre la position prescrite et la position de l'effecteur terminal déterminée actuellement, étant corrigé à l'aide du système d'actionnement de correction par commande du système d'actionnement de correction pour le déplacement de l'effecteur terminal.15